(57)【要約】本発明は、燃料電池スタック（１０）用のバイポーラプレート（１５）に関し、バイポーラプレート（１５）は、その面（１５１）に第１のシール形成セクション（１５７）と、その第２の面に第２のシール形成セクション（１５８）と、を備える。シール形成セクションは、燃料電池スタック（１０）内で、弾性のあるシール形成要素（１６）とシール形成するよう相互作用するように形成される。第１のシール形成セクション（１５７）内で、少なくとも１つのシール形成凸部（１５７１）が形成され、第２のシール形成セクション（１５８）が、シール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に形成されるので、バイポーラプレート（１５）の第１および第２のシール形成セクションは、非対称に形成されることが提供される。燃料電池スタック（１０）内で、このようなバイポーラプレート（１５）が、平坦に形成されたシール形成要素（１６）と交互に相互作用する場合、スタックの良好なシール形成が、低い必要とされる押圧力で達成可能である。
2019509590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流れ場が上に形成される第１の面（１５１）と、第２の流れ場（１５３）が上に形成される第２の面（１５２）と、第１の流れ場を取り囲む第１のシール形成セクション（１５７）と、第２の流れ場（１５３）を取り囲む第２のシール形成セクション（１５８）と、を備えており、シール形成セクション（１５７、１５８）が、燃料電池スタック（１０）内で、弾性のあるシール形成要素（１６）とシール形成するよう相互作用するように形成される、燃料電池スタック（１０）用のバイポーラプレート（１５）であって、第１のシール形成セクション（１５７）内に、少なくとも１つのシール形成凸部（１５７１）が形成され、第２のシール形成セクション（１５８）が、そのようなシール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に、形成されることを特徴とする、燃料電池スタック（１０）用のバイポーラプレート（１５）。
【請求項２】
第２のシール形成セクション（１５８）が、その幅全体に亘って、シール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に、形成されることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項３】
第２のシール形成セクション（１５８）が、少なくとも１つの溝（１５８３）によって、セグメント化され、溝（１５８３）が、少なくとも１つのシール形成凸部（１５７１）に関連してオフセットして配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項４】
第１のシール形成セクション（１５７）の少なくとも１つのシール形成凸部（１５７１）が、断面において、丸みのある輪郭および平坦な前面を有する丸みのある輪郭を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項５】
第１のシール形成セクション（１５７）が、単一のシール形成凸部（１５７１）を有し、第２のシール形成セクション（１５８）が、少なくとも１つの溝（１５８３）によってセグメント化され、少なくとも１つの溝（１５８３）が、シール形成凸部（１５７１）に対向することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項６】
バイポーラプレート（１５）は、第１および第２の相互に組み立てられる半体プレート（１５Ａ、１５Ｋ）から形成され、第２の半体プレート（１５Ｋ）のプレート厚み（ｈF）が、第２のシール形成セクション（１５８）の領域において、第２のシール形成セクション（１５８）の外側の基本厚み（ｈB）と実質的に同じまたはそれより大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項７】
バイポーラプレート（１５）は、導電性の炭素をベースにした材料、特に黒鉛、または黒鉛とポリマーとの複合材料から製造されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（１５）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（１５）であって、互いの上に交互に配置された複数のバイポーラプレート（１５）と、弾性のあるシール形成要素（１６）と、を備える燃料電池スタック（１０）であって、シール形成要素（１６）が、バイポーラプレート（１５）のシール形成セクション（１５７、１５８）の領域において、平坦に形成されることを特徴とする、燃料電池スタック（１０）。
【請求項９】
弾性のあるシール形成要素（１６）が、１００〜５００μｍの範囲、特に１５０〜４００μｍの範囲、好ましくは２００〜３００μｍの範囲の一様な厚みを有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック（１０）。
【請求項１０】
弾性のあるシール形成要素（１６）が、膜電極アッセンブリ（１４）の一部であり、特に、それは、膜電極アッセンブリ（１４）の端部領域を形成することを特徴とする請求項８〜９のいずれか１つに記載の燃料電池スタック（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用のバイポーラプレートおよびこのようなバイポーラプレートを有する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸素を用いる燃料の水への化学変換を用いて電気エネルギーを生成する。この目的のために、燃料電池は核心となる構成要素として、いわゆる膜電極アッセンブリ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｂｌｙ（ＭＥＡ））を含み、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性（通常プロトン伝導性）の膜と、それぞれの場合、膜の両面に配置された触媒電極（アノードおよびカソード）とから作成される構造である。後者は通常、支持された貴金属、特に白金を備える。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、膜電極アッセンブリの両面で膜とは反対の電極の面に配置可能である。通常、燃料電池は、スタック（ｓｔａｃｋ）として配置された複数のＭＥＡによって形成され、その電力は、加法的である。個々の膜電極アッセンブリの間にバイポーラプレート（流れ場プレートまたはセパレータプレートとも呼ばれる）が一般に配置されており、個々の電池への作動媒体すなわち反応物の供給を確実にし、また一般に冷却のためにも使用される。バイポーラプレートはまた、膜電極アッセンブリのための電気伝導性接触を提供する。
【０００３】
燃料電池が作動している際に、燃料（アノード作動媒体）特に水素Ｈ2または水素含有ガス混合物が、バイポーラプレートのアノード側で開いている流れ場を介してアノードに供給され、アノードで電子が喪失しながらＨ2のプロトンＨ+への電気化学的酸化が生じる（Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-）。反応室を互いに気密な仕方で分離しかつ電気的に絶縁する電解質または膜を介した、アノード室からカソード室へのプロトンの（水が結合したまたは水なしの）輸送が行われる。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに供給される。電子が取り込まれながらＯ2のＯ2-への還元が生じるように（１／２Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｏ2-）、酸素または酸素含有ガス混合物（例えば、空気）が、バイポーラプレートのカソード側で開いている流れ場を介してカソード作動媒体として供給される。同時に、カソード室内で酸素陰イオンが、膜を介して輸送されたプロトンと反応し、水を生成する（Ｏ2-＋２Ｈ+  →  Ｈ2Ｏ）。
【０００４】
燃料電池スタックの流体密シール形成は、燃料電池技術における課題である。ここでは、バイポーラプレートと交互に積み重ねられ、スタックの対応する押圧の場合は弾性的に変形される、シール形成要素を使用するのが一般的である。シール形成要素は、別々の構成要素として使用可能であり、または、バイポーラプレートまたは膜電極アッセンブリ上に成形可能である。この点については特に、膜電極アッセンブリ上で周辺にフレームのような仕方でこのようなシール形成要素を成形することが知られている。ここでは、シール形成要素は通常、バイポーラプレートの対応するシール形成セクションとシール形成するように相互作用するシール形成ビードを備える（例えば図４Ａ、図４Ｂ参照）。この目的のために、シール形成ビードが係合する凹部を有する、バイポーラプレートのシール形成セクションが形成される。しかしながら、これらの凹部に必要とされるバイポーラプレートの薄い壁厚は、このバイポーラプレートの不安定化や、破損のリスクに繋がる。カーボン材料から作成されたバイポーラプレートの場合特にそうである。この設計で必要とされる高い押圧力に起因して、シール形成要素のロッキングも生じ得る。最後に、燃料電池スタックの製造において、バイポーラプレートとシール形成プレートの間または２つの隣接するバイポーラプレート間の横方向のオフセットが生じる場合、シールの破壊の問題や高い材料応力の問題がある。
【０００５】
ＵＳ２０１１／０１５９３９８Ａ１には、膜電極アッセンブリのシール形成要素の領域において燃料電池内に配置されるシール形成凸部を有するバイポーラプレートが開示されている。このシール形成凸部は、シールの両面に配置され、互いにオフセットされている。
【０００６】
ＪＰ２００６１１４２２７にも、膜電極アッセンブリのシール形成要素の領域において配置されるシール形成凸部を有するバイポーラプレートが開示されている。このシール形成凸部は、シールの両面に配置され、互いにオフセットされまたはオフセットされずに配置可能である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の根本的な目的は、説明した従来技術の問題を少なくとも部分的に克服するために使用されるバイポーラプレートおよび燃料電池スタックを提案することである。
【０００８】
この目的は、独立請求項の特徴を有するバイポーラプレートによって、および、そのようなバイポーラプレートを有する燃料電池スタックによって、達成される。
【０００９】
本発明による燃料電池スタック用のバイポーラプレートは、（燃料電池の第１の作動媒体の輸送用の）第１の流れ場が上に形成される第１の面と、（燃料電池の第２の作動媒体の輸送用の）第２の流れ場が上に形成される第２の面と、を備える。さらに、バイポーラプレートは、第１の流れ場を取り囲む第１のシール形成セクションと、第２の流れ場を取り囲む第２のシール形成セクションと、を備える。ここでは、シール形成セクションは、燃料電池スタック内でシール形成要素とシール形成するよう相互作用するように形成される。本発明によれば、少なくとも１つのシール形成凸部が、バイポーラプレートの第１のシール形成セクション内に形成される。さらに、第２のシール形成セクションが、そのようなシール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に形成される。
【００１０】
従来技術において、バイポーラプレートの両面に配置された２つのシール形成セクションは、互いに対向するか、または互いにオフセットするシール形成凸部を有するけれども、本発明によれば、２つのシール形成セクションのうちの一方のみが、少なくとも１つのシール形成凸部を有して形成され、第２のシール形成セクションは、実質的に平坦に形成される。その結果、いくつかの利点が達成される。他方では、バイポーラプレートのこの設計によって、シール形成ビードなしで形成される平坦なシール形成要素の使用が可能となる。また、弾性のあるシール形成要素のシール形成ビードが差し込まれる従来のバイポーラプレートのシール形成凹部の必要性がなしで済まされる。その結果、プレートの安定性がかなり増大する。また、このような配置はまた、バイポーラプレートおよびシール形成要素の製造に関連する横方向のオフセットに影響されやすくはない。また、本発明者は、高いシール形成作用を達成するのに必要な押圧力がより低くなることを決定した。
【００１１】
上述の利点は、本発明の好ましい設計によって、第２のシール形成セクションが、その幅全体に亘って、特にバイポーラプレートの端部まで延在する幅に亘って、シール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に設計される場合、特に生じるようになる。
【００１２】
本発明の文脈では、シール形成凸部は、いくつかの地点でおよび／または局所的にシール形成凸部とシール形成要素との間の接触領域にシール形成要素を弾性的に圧縮するために、燃料電池スタック内で、弾性のあるシール形成要素への局所的な圧力の適用下で、弾性のあるシール形成要素と相互作用するのに適した、基部プレートレベルを超えて突出する任意のシール形成要素のことを意味すると理解される。それに比較すると、本発明による第２のシール形成セクションが備える設計などの、シール形成凸部なしの設計は、シール形成要素に作用する局所的なおよび／または尖頭形成のバンプがないことを意味する。「実質的に平坦に形成される」という表現はまた、シール形成セクションがまた、弾性的に変形されるシール形成要素を、寸法の観点から、凹部内に侵入させ得るであろう凹部を有さないことを意味すると理解される。
【００１３】
本発明の有利な設計は、第２のシール形成セクションが、少なくとも１つの溝によって、セグメント化されることであり、溝は、バイポーラプレートの対向面の少なくとも１つのシール形成凸部に関連してオフセットして配置される。ここでは、溝は、接触圧力の作用の下で変形されるシール形成要素の侵入を実質的に許容しない、寸法、特に溝幅を有することができる。第２のシール形成セクションの対向するシール形成凸部に特に平行に延在する溝を用いた上述のセグメント化に起因して、シール形成要素とバイポーラプレートのシール形成セクションとの間の接触面は、案内および制御可能である。モデル化試験において、実際、第２のシール形成セクションのより小さいシール形成表面を用いると、より低い適用されたシール形成力でより高いシール形成力または同一の適用されたシール形成力でより高いシール形成力を達成可能なことが見出された。
【００１４】
バイポーラプレートの２つの主要な面に形成されるバイポーラプレートのシール形成セクションは、特に、バイポーラプレートの側縁部に平行にかつ近接してコースを有する。従って、それらは実質的に、バイポーラプレートの表面全体を周囲で密閉した形態で取り囲む。また、バイポーラプレートの主要な供給開口部を取り囲むシール形成セクションも、本発明による形態で、特に、第１のシール形成セクションに、対応するシール形成凸部が形成され、かつ、そのようなシール形成凸部なしで、および／または、実質的に平坦に、対向する第２のシール形成セクションが形成されるので、設計可能である。
【００１５】
少なくとも１つのシール形成凸部は、その断面に関して、シールが製造されるように、弾性のあるシール形成要素の局所的な圧縮の下で、弾性のあるシール形成要素に作用するのに適した任意の形状を有することができる。ここでは、鋭く収束する輪郭、長方形の輪郭、多角形の輪郭が特に考慮可能であるが、しかしながら、丸みのあるもの、例えば、半円形の輪郭、または平坦な前面を有する丸みのある輪郭が好ましいが、それというのも、このような輪郭は結果として、一様なシール形成張力および穏和な移行でシール形成凸部とシール形成要素との間に比較的大きな接触面を得られるからである。シール形成凸部は、第１のシール形成セクションの長さに亘って、特に密閉されかつ途切れのない形態で、ビードの形状に延在することが理解される。バイポーラプレートの概略の高さに関してシール形成凸部が突き出る少なくとも１つのシール形成凸部の高さは、最適化されたシール形成の意味で選択されるように、もっぱら都合により、選択可能である。
【００１６】
本発明の好ましい実施例では、第１のシール形成セクションは、好ましくは互いに平行して、例えば、二重ビードの意味で延在する、２つ以上のシール形成凸部を有する。いくつかのシール形成凸部の提供により、バイポーラプレートと弾性のあるシール形成要素との間の接触面は、一方のシール形成凸部におけるリークの場合に他方のシール形成凸部のシール形成作用によって、さらに増大し、また、維持される。
【００１７】
本発明の別の設計では、第１のシール形成セクションは、単一のシール形成凸部を備え、第２のシール形成セクションは、少なくとも１つの溝によってセグメント化され、少なくとも１つの溝は、ここでは、シール形成凸部に対向する。この実施例では、平坦な前面を有する丸みのある輪郭を有するシール形成凸部が好ましい。さらに、この実施例では、溝、特に、溝幅は、接触圧力の作用の下で変形されるシール形成要素の特定の侵入を許容するような寸法を有する。
【００１８】
本発明の実施例では、バイポーラプレートは、互いに組み立てられる第１のプレートおよび第２のプレートから形成される。ここでは、第１のプレートは、第１の流れ場および第１のシール形成セクションを有する第１の外面を形成し、第２のプレートは、第２の流れ場および第２のシール形成セクションを有する第２の外面を形成する。プレートは、結合接続部によって、例えば、接着または融合シームによって互いに接続可能であり、または、さらなるシール形成要素を介して取り外し可能に一緒にプレス可能である。有利には、２つのプレートの間に、冷却材の通路に使用される第３の流れ場が形成される。
【００１９】
第１のプレートおよび第２のプレートからのバイポーラプレートの形成の場合、第２のシール形成セクションの領域における第２のプレートは、第２のシール形成セクションの外側より大きなプレート厚みで形成される。その結果、プレートの安定性が、隣接するバイポーラプレートのシール形成凸部によって作用される圧力に関して増大する。
【００２０】
本発明の設計では、バイポーラプレートが、導電性の炭素をベースにした材料から製造される。この材料は、特に黒鉛、または黒鉛とポリマー例えばエポキシ樹脂とから作成される複合材料とすることができる。炭素をベースにした材料はまた、以下で炭素材料と呼ばれる。炭素バイポーラプレートは、低い比重を有し、さらに、従来の形成方法（例えば、射出成形）で製造可能であるという利点を有し、また、高い設計自由度を有する。例えば、その両面の表面輪郭は、互いに独立して選択可能である。それに比較すると、金属バイポーラプレートは通常、プレスにより輪郭が形成される金属シートから製造される。その結果、バイポーラプレートの一方の面の所望の輪郭が必然的に、その他方の面の輪郭を決定する。しかしながら、炭素バイポーラプレートは、破損に対する低い抵抗を有し、従って、一般に、金属バイポーラプレートより高い壁強度を必要とするので、本発明によるバイポーラプレートの利点は、特に炭素バイポーラプレートにおいて明らかとなるが、それというのも、シール形成要素のシール形成ビードの係合のための深さ形成の必要性がなしで済まされるからである。
【００２１】
本発明の別の態様は、互いの上に交互に配置される本発明による複数のバイポーラプレートと、弾性のあるシール形成要素と、を備える、燃料電池スタックに関する。燃料電池スタックは、シール形成要素が、少なくともバイポーラプレートのシール形成セクションの領域において、平坦に形成されることを特徴とする。すなわち、シール形成要素は、バイポーラプレートのシール形成セクションの領域において、シール形成ビードを有さない。この設計によって、小さな材料応力で、本発明によって構成されるバイポーラプレートとの特に良好なシール形成相互作用が可能となる。特にシール形成は、バイポーラプレートの少なくとも１つのシール形成凸部が、弾性のある平坦なシール形成要素に対して適用され、このシール形成要素を、隣接するバイポーラプレートの第２のシール形成領域の実質的に平坦な接触面に対して、押圧し、圧縮するので、達成される。
【００２２】
例えば、少なくともシール形成セクションの領域において、弾性のあるシール形成要素は、１００〜５００μｍの範囲、特に１５０〜４００μｍの範囲、好ましくは２００〜３００μｍの範囲の一様な厚みを有する。シール形成要素の厚みは、ケースバイケースでシール形成要求の関数として選択される。
【００２３】
燃料電池スタックは、バイポーラプレートおよびシール形成要素に加えて、バイポーラプレートと交互に積層される膜電極アッセンブリも備えることが理解される。本発明の好ましい設計では、弾性のあるシール形成要素は、膜電極アッセンブリの一部として形成され、それは、特に好ましくは、膜電極アッセンブリの周りに延在するその端部領域を形成する。このような仕方で、一緒に積層される構成要素が低減可能であり、同時に、膜電極アッセンブリを安定化することができる。
【００２４】
本発明の別の態様は、本発明による燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムは、燃料電池スタックに加えて、対応する周辺構成要素を有する、アノード供給およびカソード供給を備える。
【００２５】
本発明の別の態様は、本発明による燃料電池スタックを有する燃料電池システムを備える乗り物に関する。乗り物は好ましくは、燃料電池システムによって生成される電気エネルギーがトラクションモータおよび／またはトラクションバッテリに供給するために使用される、電気自動車である。
【００２６】
本発明の他の好ましい設計は、従属請求項に述べられる残りの特徴から結果として得られる。
【００２７】
本願に述べられる本発明のさまざまな実施例は有利には、ケースバイケースで特に明記しない限り、互いに組み合わせ可能である。
【００２８】
本発明は、添付の図面を参照して例示的な実施例において以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池システムのブロック図を示す。
【図２】燃料電池スタックの膜電極アセンブリの上面図を示す。
【図３】燃料電池ステックのバイポーラプレートの上面図を示す。
【図４Ａ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（圧縮なし）と、を備える従来技術による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図４Ｂ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シール形成要素は４１％圧縮されている）と、を備える従来技術による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図５Ａ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（圧縮なし）と、を備える本発明の第１の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図５Ｂ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シール形成要素は４２％圧縮されている）と、を備える本発明の第１の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図５Ｃ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シール形成要素は５０％圧縮されている）と、を備える本発明の第１の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図６Ａ】図４Ａ、図４Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｃによる燃料電池のシール形成要素の圧縮の関数としてあるパラメーター（シール形成力）の曲線を示す。
【図６Ｂ】図４Ａ、図４Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｃによる燃料電池のシール形成要素の圧縮の関数としてあるパラメーター（シール形成張力）の曲線を示す。
【図６Ｃ】図４Ａ、図４Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｃによる燃料電池のシール形成要素の圧縮の関数としてあるパラメーター（最大引張り応力）の曲線を示す。
【図７Ａ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（圧縮なし）と、を備える本発明の第２の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図７Ｂ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シールは４２％圧縮されている）と、を備える本発明の第２の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図７Ｃ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シールは５０％圧縮されている）と、を備える本発明の第２の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図８Ａ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（圧縮なし）と、を備える本発明の第３の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【図８Ｂ】２つのバイポーラプレートと、それらの間に配置されたシール形成要素（シールは５０％圧縮されている）と、を備える本発明の第３の設計による燃料電池の端部セクションの領域における燃料電池の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本発明の好ましい設計による、全体に参照符号１００が付された燃料電池システムを示す。燃料電池システム１００は、さらに詳細には図示していない乗り物、特に燃料電池システム１００によって電気エネルギーが供給されるトラクションモータを備えた電気自動車の一部である。
【００３１】
燃料電池システム１００は、交互に積層された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４およびバイポーラプレート１５（引き出し線図参照）により形成され、スタックの形態で配置された、複数の個々の電池１１を備える、燃料電池スタック１０を、核心となる構成要素として備える。従って、個々の各電池１１は、それぞれの場合、さらに詳細には図示していないイオン伝導性の高分子電解質膜と、その両面に配置された触媒電極すなわちアノードおよびカソードとを備えるＭＥＡ１４を含み、触媒電極は、燃料電池変換のそれぞれの部分反応に触媒作用を及ぼし、また、特に、膜上の被覆として設計可能である。アノード電極およびカソード電極は、大きな比表面積を有する導電性支持材料例えば炭素をベースにした材料に支持された触媒材料例えば白金を備える。従って、アノード室１２は、バイポーラプレート１５とアノードの間に形成され、カソード室１３は、カソードと次のバイポーラプレート１５の間に形成される。バイポーラプレート１５は、アノード室１２およびカソード室１３へと作動媒体を供給するために使用され、さらに、個々の燃料電池１１の間に電気的接続を確立する。任意選択的に、ガス拡散層が、膜電極アッセンブリ１４とバイポーラプレート１５の間に配置可能である。
【００３２】
燃料電池スタック１０に作動媒体を供給するために、燃料電池システム１００は、一方にアノード供給２０と、他方にカソード供給３０とを備える。
【００３３】
アノード供給２０は、アノード作動媒体（燃料）例えば水素を燃料電池スタック１０のアノード室１２に供給するために使用されるアノード供給経路２１を備える。この目的のために、アノード供給経路２１は、燃料貯蔵器２３を燃料電池スタック１０のアノード入口に接続する。アノード供給２０はさらに、燃料電池スタック１０のアノード出口を介してアノード室１２からアノード廃棄ガスを除去するアノード廃棄ガス経路２２を備える。燃料電池スタック１０のアノード側１２のアノード作動圧力は、アノード供給経路２１内の設定手段２４を介して調節可能である。また、アノード供給２０は、図示のように、アノード廃棄ガス経路２２をアノード供給経路２１に接続する燃料再循環ライン２５を備えることができる。たいてい化学量論的に過剰な量で使用される燃料をスタックに戻してそれを使用するために、燃料を再循環させるのが一般的である。
【００３４】
カソード供給３０は、酸素含有カソード作動媒体特に環境から吸引される空気を燃料電池スタック１０のカソード室１３に供給するカソード供給経路３１を備える。カソード供給３０はさらに、燃料電池スタック１０のカソード室１３からカソード廃棄ガス（特に廃棄空気）を除去し、このカソード廃棄ガスを任意選択的に、図示していない廃棄ガスシステムに供給するカソード廃棄ガス経路３２を備える。カソード作動媒体を搬送しかつ圧縮するために、圧縮機３３がカソード供給経路３１内に配置される。図示した例示的な実施例では、圧縮機３３は、主に電気モータで駆動される圧縮機として設計され、圧縮機の駆動は、対応する電力電子機器３５を備えた電気モータ３４を介して行われる。圧縮機３３はさらに、共用シャフト（図示せず）を介してカソード廃棄ガス経路３２内に配置されたタービン３６（任意選択的に、可変タービン形態で）によって支持する仕方で駆動可能である。
【００３５】
図示した例示的な実施例では、カソード供給３０は、カソード供給ライン３１をカソード廃棄ガスライン３２に接続し、従って、燃料電池スタック１０のバイパスを表す、廃棄ゲートライン３７を備えることもできる。廃棄ゲートライン３７は、圧縮機３３を停止せずに、燃料電池スタック１０を通して過剰な空気の質量流量を導くことができる。廃棄ゲートライン３７内に配置された設定手段３８が、燃料電池スタック１０を迂回するカソード作動媒体の量を制御するために使用される。燃料電池システム１００の全ての設定手段２４、２６、３８は、調節可能または調節不能の弁またはフラップとして設計可能である。燃料電池スタック１０を環境から隔離できるように、対応する他の設定手段がライン２１、２２、２７、３１、３２内に配置可能である。
【００３６】
燃料電池システム１００はさらに、加湿器モジュール３９を備えることができる。一方で、加湿器モジュール３９は、カソード作動ガスが通過できるように、カソード供給経路３１内に配置される。他方で、それは、カソード廃棄ガスが通過できるような仕方で、カソード廃棄ガス経路３２内に配置される。加湿器３９は一般に、平面状であるかまたは中空糸の形態で形成された複数の水蒸気透過膜を有する。ここでは、比較的乾燥したカソード作動ガス（空気）が、膜の一方の面に亘って流れ、比較的湿ったカソード廃棄ガス（廃棄ガス）が、他方の面に亘って流れる。カソード廃棄ガス中の水蒸気のより高い分圧によって駆動されて、膜を介してカソード作動ガス中へと水蒸気の移動が生じ、このような仕方で、カソード作動ガスは加湿される。
【００３７】
アノード供給２０およびカソード供給３０のさまざまな他の詳細は、理解しやすいように簡略化した図１では図示していない。従って、燃料電池反応で生成された生成水を凝縮させかつ排出するために、水分離器が、アノード廃棄ガス経路２２および／またはカソード廃棄ガス経路３２内に設置可能である。最後に、アノード廃棄ガスライン２２は、アノード廃棄ガスおよびカソード廃棄ガスが共通の廃棄ガスシステムを介して排出されるように、カソード廃棄ガス経路３２に繋がることができる。
【００３８】
図２、図３はそれぞれの場合、上面図で本発明による例示的な膜電極アッセンブリ１４およびバイポーラプレート１５を示す。
【００３９】
２つの構成要素は、活性領域ＡＡ、供給領域ＳＡ、および分配領域ＤＡに細分される。活性領域ＡＡは、燃料電池反応がこの領域において生じることを特徴とする。この目的のために、膜電極アッセンブリ１４は活性領域ＡＡにおいて、高分子電解質膜の両面に触媒電極１４３を備える。供給領域ＳＡ内では、供給開口部１４４、１４５、１４６が、膜電極アッセンブリ１４の側に配置され、それぞれの供給開口部１５４、１５５、１５６が、バイポーラプレート１５の側に配置され、これらは、積層された状態で互いに実質的に整列されており、燃料電池スタック１０のスタック高さ全体に亘って燃料電池スタック１０を通過する主供給チャネルを形成する。アノード入口および出口開口部１４４およびそれぞれの１５４は、アノード作動ガス、すなわち燃料例えば水素を供給するために、また、活性領域ＡＡに亘って流れた後のアノード廃棄ガスの排出のために、使用される。カソード入口および出口開口部１４５およびそれぞれの１５５は、カソード作動ガス、特に酸素または酸素含有混合物、好ましくは空気を供給するために、また、活性領域ＡＡに亘って流れた後のカソード廃棄ガスの排出のために、使用される。冷却材入口および出口開口部１４６およびそれぞれの１５６は、冷却材を供給するために、また冷却材の排出のために、使用される。
【００４０】
ＭＥＡ１４は、アノード面１４１を有し、それは図２に見えている。従って、図示の触媒電極１４３は、アノードとして、例えば、高分子電解質膜上の被覆として設計される。カソード面１４２は、図２に見えていないが、対応する触媒電極、ここでは、カソードを備える。高分子電解質膜は、膜電極アッセンブリ１４の範囲全体に亘って延在できるが、少なくとも中央の活性領域ＡＡに亘って延在できる。残りの領域ＳＡ、ＤＡにおいて、補強支持フィルムが配置可能であり、それは、膜と、両面の活性領域ＡＡとを囲み、それらをフレームのような仕方で保持する。少なくとも外側端部領域（網掛けをした表面）において、膜電極アッセンブリ１４はさらに、フレームのような仕方で、弾性のあるシール形成要素１６によって取り囲まれており、弾性のあるシール形成要素１６は、弾性のあるポリマー材料、例えばシリコーンまたは同様のものなどから形成される。弾性のあるシール形成要素１６は、結合接続部によって膜電極アッセンブリ１４に接続可能であり、それによって、膜電極アッセンブリ１４の構成要素となる。
【００４１】
図３に示すバイポーラプレート１５は、図に見えていてここではカソード面１５２である第２の面と、見えていずここではアノード面１５１である面と、を有する。典型的な設計では、バイポーラプレート１５は、組み合わされる２つのプレート半体、すなわちアノードプレートおよびカソードプレートから構成される。図示のカソード面１５２では、作動剤チャネル１５３が、開いた溝のようなチャネル構造として形成され、このチャネル構造は、カソード入口開口部１５５をカソード出口開口部１５５に接続しており、また、第２の流れ場、ここでは、カソード作動媒体を搬送するカソード流れ場を形成する。５つのみ例示的な作動剤チャネル１５３が図示されているが、通常かなりより多数が存在する。同じやり方で、ここでは見えていないアノード面１５１は、対応する作動剤チャネルを備えており、この作動剤チャネルは、アノード入口開口部１５４をアノード出口開口部１５４に接続しており、また、第１の流れ場、ここでは、アノード作動媒体を搬送するアノード流れ場を形成する。アノード作動媒体のためのこれらの作動剤チャネルは典型的には、開いた溝のようなチャネル構造として形成される。バイポーラプレート１５の内部、特に２つのプレート半体の間には、囲まれた冷却材チャネルが延在しており、この冷却材チャネルは、冷却材入口開口部１５６を冷却材出口開口部１５６に接続する。
【００４２】
バイポーラプレート１５の見えている第２のカソード面１５２の周囲の端部領域において、第２のシール形成セクション１５８が形成されており、組み立てられた燃料電池スタック１０では、膜電極アッセンブリ１４のカソード面１４２のシール形成要素１６とシール形成するように相互作用する。同じやり方で、見えていない第１のアノード面１５１のバイポーラプレート１５の周囲の端部領域において、第１のシール形成セクション１５７が形成されており、膜電極アッセンブリ１４のアノード面１４１のシール形成要素１６と燃料電池スタック内でシール形成するように相互作用する。シール形成セクション１５８、１５７の範囲は、破線によって図３に示す。図示のように、バイポーラプレート１５の両面の供給開口部１５４、１５６、１５６はそれぞれの場合、対応する第１のシール形成セクション１５７および第２のシール形成セクション１５８によって、周囲で取り囲まれることができる。
【００４３】
従来技術による、また本発明の実施例によるシール形成セクションの設計を、次の図において燃料電池の端部領域における断面を用いて図示する。
【００４４】
図４Ａ、図４Ｂは、燃料電池の端部領域において、すなわちバイポーラプレート１５の端部領域における断面図において、従来技術による燃料電池スタック１０の個々の電池を示す。膜電極アッセンブリ１４を図示しており、その上に、シール形成要素１６が端部位置で成形される。シール形成要素１６を有する膜電極アッセンブリ１４は、２つのバイポーラプレート１５の間に配置される。膜電極アッセンブリ１４は、高分子電解質膜と、その両面に被覆された２つの触媒電極（詳細には図示せず）、すなわちアノードおよびカソードとから構成されるラミネート１４７を備える。ラミネート１４７の両面に、ガス拡散層１４８がそれぞれの場合、配置される。
【００４５】
弾性のあるシール形成要素１６は、平坦な表面の基部本体１６１と、２つのシール形成ビード１６２とを備える。膜電極アッセンブリ１４との接続は、ＭＥＡ１４の端部領域を両側で囲む、フランジのやり方で設計された接続セクション１６３によって形成される。
【００４６】
バイポーラプレート１５は、それぞれの場合、２つの半体プレート、すなわち、第１の半体プレート１５Ａ（アノードプレート）と、第２の半体プレート１５Ｋ（カソードプレート）とから構成される。図４Ａ、図４Ｂに示すバイポーラプレート１５のシール形成セクションでは、これらのバイポーラプレートは、それぞれの場合、そのアノード面１５１およびそのカソード面１５２の両方に凹部を備えており、その中に、シール形成要素１６のシール形成ビード１６２が適合する。シール形成ビード１６２の最も低い位置からその最も高い位置まで測定した、シール形成ビード１６２の典型的な直径は、１〜３ｍｍの大きさ程度であり、ここで図示した例では、１．１ｍｍであり、一方、バイポーラプレート１５の凹部の典型的な幅は、３〜１０ｍｍの範囲であり、ここでは５．２ｍｍである。
【００４７】
圧縮力の適用後、図４Ｂに示すように、シール形成ビード１６２の弾性的な圧縮が生じ、それによって、バイポーラプレートの接触面が、シール形成要素１６の基部本体１６１と、または膜電極アッセンブリ１１４と接触する。これは、シール形成ビード１６２の４１％の圧縮の程度を有する図示の例の場合である。この目的のために、比較的高い押圧力が必要である。さらに、図４Ａ、図４Ｂに示した設計の不利益は、図示のシール形成セクションの凹部の領域において、バイポーラプレート１５、またはその半体プレート１５Ａ、１５Ｋそれぞれの薄い壁厚が存在し、それによって、この領域において、不安定化および破損が生じる可能性があることである。さらに、シール形成要素１６に関するバイポーラプレート１５の製造に関連する横方向のシフトの場合、シール形成作用が有害に作用する可能性があること、すなわち、シール形成ビード１６２が凹部の縁部と接触するときが問題である。また、この状況は、シール形成要素１６内の応力に繋がり、その寿命を縮める。一般に生じる過度の圧縮の場合、さらに、シールのロッキングのリスクが存在する。最後に、図示の設計は、ＭＥＡ１４との接続を確立するために、接続セクション１６３を必要とする。
【００４８】
これらの問題を解決するために、本発明によるバイポーラプレート１５は、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、そのシール形成セクション１５７、１５８の非対称の設計を有する。次の図において、図４Ａ、図４Ｂと同じ参照符号を、同一の要素に使用する。
【００４９】
本発明によれば、第１のシール形成セクション１５７が、アノードプレートの第１の面１５１に形成されており、少なくも１つのシール形成凸部、図示の例では２つのシール形成凸部１５７１を備える。シール形成凸部１５７１は、その高さｈDが、アノードプレート１５Ａの基本高さｈAに比較して大きく、それによって、シール形成凸部１５７１が、アノードプレート１５Ａの基本高さｈAに関して突出することを特徴とする。他方で、第２のシール形成セクション１５８が、このようなシール形成凸部を形成せずに、カソードプレート１５Ｋのカソード面１５２に形成されており、実質的に平坦な接触面１５８１を有する。第２のシール形成セクション１５８のこの平坦な接触面１５８１は、シール形成凸部なしで設計されており、好ましくはバイポーラプレート１５の端部まで（図の左側において）延在する。図示の実施例では、第２のシール形成セクション１５８の領域における第２の半体プレート１５Ｋのプレート厚みｈFは、第２のシール形成セクション１５８の外側の半体プレート１５Ｋの基本厚みｈBより大きい。これは、この領域における向上した安定性に繋がる。
【００５０】
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、シール形成凸部１５７１はさらに、第１の半体プレート１５Ａの低減した厚みのセクション１５７２内に配置可能である。低減した厚みのセクション１５７２は、第１の半体プレート１５Ａの基本プレート厚みｈAと比較して低減したプレート厚みｈRを有する。同じやり方で、第２のシール形成セクション１５８の上昇した接触面１５８１を、第２の半体プレート１５Ｋの低減した厚みのセクション１５８２内に配置することが提供可能である。
【００５１】
本発明によるバイポーラプレート１５の設計は、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、少なくともバイポーラプレート１５のシール形成セクション１５７、１５８の領域において、平坦に設計されたシール形成要素１６と組み合わせて使用される場合、その最良のシール形成作用を展開する。すなわち、このようなシール形成要素１６は、少なくともこの端部領域において、例えば、２５０μｍの一様な厚みを有する。
【００５２】
図５Ｂ、図５Ｃは、対応する押圧力の作用の結果として、シール形成凸部１５７１の領域において、シール形成要素１６が圧縮の程度４２％または５０％圧縮されている状態での図５Ａからの燃料電池１０を示す。図５Ｂ、図５Ｃにはそれぞれの場合、上部バイポーラプレートのアノードプレート１５Ａおよび下部バイポーラプレートのカソードプレート１５Ｋのみを示す。本発明による設計では、図４Ａ、図４Ｂによる従来の設計とは対照的に、押圧力は、ＭＥＡ１４への接続セクション１６３に作用しないことが理解できる。従って、本発明の文脈では、膨らんだ接続セクション１６３なし済ますことも、また、ＭＥＡ１４への接続の別の形状を選択することも可能である。
【００５３】
コンピューターシミュレーションでは、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ〜図５Ｃに示す燃料電池１０について、それぞれのシール形成要素１６の圧縮の関数として、さまざまな物理パラメーターを決定した。ここでは、点線で示した曲線はそれぞれの場合、従来技術による図４Ａ、図４Ｂに示す燃料電池１０についての曲線を示し、実線の曲線はそれぞれの場合、図５Ａ〜図５Ｃに示す本発明による燃料電池１０についての曲線を示す。図６Ａは、シール形成要素１６の特定の圧縮の程度を達成するために加える必要のあるシール形成力を示す。曲線全体に亘って、本発明による燃料電池１０について加えられるシール形成力は、従来の燃料電池についてのものよりかなり低いことが理解できる。本発明による設計では、圧縮されていないシール形成要素１６の４０％の圧縮の程度を達成するために、およそ０．７５Ｎ／ｍｍの力を用いる必要があるのみであるのに対し、従来の燃料電池では、同じ圧縮に、ほぼ３Ｎ／ｍｍの力が必要である。また、従来の燃料電池の最大圧縮は、およそ４２％に制限される（図４Ｂを比較のこと）。
【００５４】
図６Ｂは、圧縮の程度の関数として達成されるシール形成張力の曲線である。このシミュレーションでは、本発明による燃料電池の達成されるシール形成張力またはシール形成力は、従来の電池の達成されるシール形成張力の取るに足らないほど下に位置するのみである。シール形成張力は、燃料電池の達成される密封性の尺度を表す。例えば、従来の設計では、１ＭＰａのシール形成張力を達成するために、１．７Ｎ／ｍｍのシール形成力に相当するかろうじて３５％の圧縮の程度が必要である。他方で、本発明による電池は、同じ１ＭＰａのシール形成張力について、ほぼ４０％の圧縮の程度が必要であるが、これは、かなり低い０．７５Ｎ／ｍｍのシール形成力で達成される。シール形成凸部、およびシール形成要素１６の厚みのさらなる最適化によって、少なくとも従来の設計と同じくらい高いシール形成張力が得られることが予想される。
【００５５】
図６Ｃは、圧縮の関数としてシール形成要素１６の材料内の最大引張り応力の曲線を示す。ここでは、本発明による設計において、最大引張り応力が従来の電池におけるより低いことが示される。従って、本発明による設計では、シール形成要素１６の寿命が延びることが予想される。
【００５６】
アノードプレート１５Ａを、カソードプレート１５Ｋに関して図５Ａ〜図５Ｃの図により右に２５０μｍオフセットして配置した場合に、本発明による燃料電池について、同じシミュレーションを行った。予想されるように、これは、結果に事実上全く影響を与えない（図示せず）。
【００５７】
図７Ａ〜図７Ｃに、本発明の第２の設計による発明の燃料電池１０を示す（ＭＥＡ１４の図はここでは省略した）。それぞれの場合、上部バイポーラプレート１５のアノードプレート１５Ａおよび下部バイポーラプレートのカソードプレート１５Ｋのみを示す。図５Ａ〜図５Ｃに示す設計とは対照的に、図７Ａ〜図７Ｃによる設計は、カソードプレート１５Ｋのシール形成セクション１５８の接触面１５８１が、接触面１５８１をセグメント化するのに用いられる溝１５８３を備えるという点で異なる。溝１５８３はここでは、アノードプレート１５Ａのシール形成凸部１５７１に関してオフセットして配置され、それによって、溝１５８３およびシール形成凸部１５７１は、互いに対向しない。さらに、溝１５８３は、溝１５８３内へのシール形成要素１６の侵入を防止する寸法、特に幅を有する。シール形成セクション１５８内のカソードプレート１５Ｋの接触面１５８１の設計によって、シール形成要素１６とプレート１５Ａ、１５Ｋとの間の接触面の制御が可能となる。図７Ａ、図７Ｂはまた、それぞれ４２％および５０％の圧縮の程度の場合における、シール形成要素１６の変形を示す。
【００５８】
本発明による燃料電池１０のなおさらなる設計を図８Ａ、図８Ｂに示し、図８Ａは、圧縮されていない状態を示し、図８Ｂは、シール形成要素１６の５０％の圧縮の程度の場合における燃料電池１０を示す。ＭＥＡ１４の図は、ここでは省略した。この実施例では、アノードプレート１５Ａのシール形成セクション１５７は、単一の比較的広いシール形成凸部１５７１のみを有し、シール形成凸部１５７１は、平坦な前面を有する丸みのある輪郭を有する。カソードプレート１５Ｋの対向するシール形成セクション１５８は、ここでは、２つの溝１５８３によってセグメント化されており、その溝幅は、図７Ａ〜図７Ｃより大きくなるように選択される。また、溝１５８３は、アノードプレート１５Ａのシール形成凸部１５７１に対抗するような仕方で配置される。これは、図８Ｂから理解できるように、押圧力の作用で、シール形成要素１６が部分的に溝１５８３内に押し込まれるという事実に繋がる。
【符号の説明】
【００５９】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…個々の電池
１２…アノード室
１３…カソード室
１４…膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１４１…アノード面
１４２…カソード面
１４３…触媒電極／アノード
１４４…供給開口部／アノード入口開口部またはアノード出口開口部
１４５…供給開口部／カソード入口開口部またはカソード出口開口部
１４６…供給開口部／冷却材入口開口部または冷却材出口開口部
１４７…高分子電解質膜および触媒電極から作成されたラミネート
１４８…ガス拡散層
１５…バイポーラプレート（セパレータプレート、流れ場プレート）
１５Ａ…第１の半体プレート／アノードプレート
１５Ｋ…第２の半体プレート／カソードプレート
１５１…第１の面／アノード面
１５２…第２の面／カソード面
１５３…作動剤チャネル／アノードチャネルまたはカソードチャネル／第１または第２の流れ場
１５４…供給開口部／アノード入口開口部またはアノード出口開口部
１５５…供給開口部／カソード入口開口部またはカソード出口開口部
１５６…供給開口部／冷却材入口開口部または冷却材出口開口部
１５７…第１のシール形成セクション
１５７１…シール形成凸部
１５７２…低減した厚みのセクション
１５８…第２のシール形成セクション
１５８１…接触面
１５８２…低減した厚みのセクション
１６…シール形成要素
１６１…基部本体
１６２…シール形成ビード
１６３…接続セクション
２０…アノード供給
２１…アノード供給経路
２２…アノード廃棄ガス経路
２３…燃料タンク
２４…設定手段
２５…燃料再循環ライン
３０…カソード供給
３１…カソード供給経路
３２…カソード廃棄ガス経路
３３…圧縮機
３４…電気モータ
３５…電力電子機器
３６…タービン
３７…廃棄ゲートライン
３８…設定手段
３９…加湿器モジュール
ＡＡ…活性領域（反応領域、ａｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ）
ＳＡ…供給領域（ｓｕｐｐｌｙ  ａｒｅａ）
ＤＡ…分配領域（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｒｅａ）
ｈA…第１の半体プレート／アノードプレートの基本厚み
ｈK…第２の半体プレート／カソードプレートの基本厚み
ｈD…シール形成凸部の高さ
ｈR…低減した厚みのセクションの壁厚
ｈF…接触面の壁厚
【図１】
2019509590.tif 000003
【図２】
2019509590.tif 000004
【図３】
2019509590.tif 000005
【図４Ａ】
2019509590.tif 000006
【図４Ｂ】
2019509590.tif 000007
【図５Ａ】
2019509590.tif 000008
【図５Ｂ】
2019509590.tif 000009
【図５Ｃ】
2019509590.tif 000010
【図６Ａ】
2019509590.tif 000011
【図６Ｂ】
2019509590.tif 000012
【図６Ｃ】
2019509590.tif 000013
【図７Ａ】
2019509590.tif 000014
【図７Ｂ】
2019509590.tif 000015
【図７Ｃ】
2019509590.tif 000016
【図８Ａ】
2019509590.tif 000017
【図８Ｂ】
2019509590.tif 000018
【国際調査報告】
2019509590.tif 000019
2019509590.tif 000020
2019509590.tif 000021
2019509590.tif 000022
2019509590.tif 000023
2019509590.tif 000024